CN1275270C - 数控接触器及一体化工业控制机 - Google Patents

Abstract

一种数控接触器及一体化工业控制机，数控接触器是由触头系统、灭弧系统，电、永磁执行机构，控制电路、接口电路及基座组成；整机是以单片机、LOGO或PLC为核心，通过控制接口电路与指令开关、有线遥控、无线遥控、远程遥控电路，以及稳压电源电路实施输入式单向连接；与传感器、通信接口电路、同步关合电路、保护电路、PC编程、扩展模块双向连接；与参数显示电路、1至N个数控接触器连接组成。

Description

数控接触器及一体化工业控制机

技术领域

本发明涉及一种低压电器产品，特别是一种自动控制技术的数控接触器及一体化工业控制机。

背景技术

接触器自问市以来，在工业过程控制自动化、低压终端供电两大领域的应用十分广泛。随着时代的变迁其性能亦有了长足的进步，国外专家为了保证使用中的交流接触器工作稳定，设计和附加了电子控制电路(如GMC-100、LC1-D115)。

然而在步入信息化社会的今天，各种新闻媒体接连报道了国外发达国家和地区，发生突发性大面积停电，给当地的经济、生活、交通、生产带来意想不到的巨大损失，痛定思过低压终端供电系统的智能化越来越引起极大的关注；再国内，电力供应日趋紧张，拉闸限电在所难免，提高供电质量、降低配供电系统自身的能耗迫在眉睫。据业界专家指出，每年仅节电一项潜力至少可达800亿元；在工业控制方面仅靠单一的“兼容”运作模式亦不能紧跟现代工业化的步伐。种种迹象表明，社会呼唤一种能够做到微功耗、易操控、智能化、免维护具有数字化特征的低压开关电器产品——数控接触器及一体化工业控制机。

现有的交流接触器，虽然应用范围比较广泛，但因其耗能大、噪声高、线圈温升快、安装角度受限、运动可控性差、响应速度慢、使用寿命短的缺点，尽管新型交流接触器的产品采用了先进的电子电路控制已使其性能有所提高，但其应用前景仍受到来自方方面面的影响。所以要求提高现有交流接触器的性能指标和扩大应用范围。发明数控接触器就是要解决上述问题。

发明内容：

本发明的目的是公开一种能够直接与单片机、PLC、LOGO输出端口相连接的体积小、免维护、微能耗、大功率重任务的数控接触器(100A以上)；以及能广泛应用于传统工业的技术改造、工业过程自动化控制、智能化低压终端配电的数控接触器及一体化工业控制机。

为了达到上述目的所采用的技术方案是：

本发明整机是以单片机LOGO或PLC为核心，通过控制接口电路与指令开关电路、有线遥控电路、无线遥控电路、远程遥控电路，以及稳压电源实施输入式单向连接；与传感器、通信接口电路、同步关合电路、保护电路、PC编程、扩展模块双向连接；与参数显示电路、与1至N个数控接触器、以及通过扩展模块电路与N个数控接触器连接组成。如图1所示。

本发明是以单片机、LOGO、PLC及功能扩展模块等逻辑控制单元为核心分别与输入接口电路、传感器、通信接口、同步控制、全保护电路、电源电路及输出驱动电路连接组成。电路结构的特点是：输入端，多种控制方法兼容即：指令开关、有线遥控、无线遥控、远程遥控经输入接口电路识别后转为控制信号。控制端，通信、传感器的应用技术较为成熟，不再赘述。

同步控制实现方案的原理说明：同步控制技术是电器智能化的前沿课题，因使用目的不同，实施办法有较大的差异，我们的控制方案是避免在产生最大危害处合闸，这样接入范围由一个较小的点扩大到一个较大的域；从延长触头使用寿命的角度出发更具实用价值的是调控在最佳点分闸。全保护电路实现方案如图11所示，电源电路实现方案如图2左下方所示。逻辑控制器件的输出端直接与数控接触器的输入端相连接如图2下方所示，这种连接方式是实现上述诸多功能的技术保障。

本发明所述的数控接触器是由触头系统、灭弧系统，电、永磁执行机构、控制电路、接口电路及基座组成。与交流接触器相比改进了磁执行机构，新增了控制电路和接口电路。所诉的控制电路有如下三种基本控制电路(下述线圈L为数控接触器驱动线圈)：

A方式：线圈L两端分别与开关K1、K2刀位连接，开关K1、K2常闭点与地线连接，常开点与电源VC连接。如图4所示。

A方式具体电路连接是：电源VC输出与开关K2常开点、二极管D2正极、电容C2正极连接，二极管D2负极与开关K1常开点、电容C3正极连接，电容C4与电阻R1串联后与线圈L并联，再分别与开关K1、K2的刀位连接，开关K1、K2的常闭点与电容C3负极、电容C2的负极连接。如图7所示。

B方式：线圈L两端分别与开关K和电容C的正极连接，开关K的常开点与直流电源VC连接，开关K的常闭点、电容C的负极与地连接。如图5所示。

B方式使用交流电源的具体电路连接是：瞬态二极管D1一端与交流电源、桥堆D2 3脚、二极管D4正极连接，另一端与保险管F1、桥堆D2 1脚、二极管D3正极连接，桥堆D22脚与开关JK1-2常开点连接，开关JK1-2常闭点与开关JK1-3常闭点连接，开关JK1-2刀位与线圈L一端、二极管D5负极连接，二极管D5正极与开关JK1-1常开点连接，开关JK1-1刀位与二极管D6负极、电容C3正极连接，电容C3的负极与地连接，开关JK1-1常闭点经电阻R3到地，二极管D6正极与线圈L另一端、并通过电阻R4与电容C4正极连接，电容C4负极与开关JK1-3的刀位连接，二极管D3、D4的负极与电容C1的正极连接，经电阻R1到继电器J1，继电器JI的另一端与电容C2的正极连接，开关JK1-3常开点、电容C1负极、电容C2负极、电阻R2、桥堆D24脚与地连接。如图8所示。

B方式使用直流电源的具体电路连接是：直流电源的正极与桥堆D11脚、二极管D2正极连接，直流电源负极与桥堆D13脚、二极管D3正极连接，二极管D2、D3负极经电阻R1到继电器J1，继电器J1的另一端接电容C1正极、电阻R2，桥堆D12脚接开关JK1常开点，开关JK1刀位与二极管D4负极、线圈L一端连接，线圈L的另一端与电容C2、二极管D5正极连接，二极管D4正极经电阻R3与二极管D5负极、电容C3正极连接，桥堆D14脚与电容C1、C2、C3负极、电阻R2、开关JK1常闭点连接。如图9所示。

C方式：线圈L的一端与开关K1、K2的一端连接，另一端接地，开关K1、K2另一端分别与正、负电源VC、VE连接，如图6所示。这种控制方式用于正、负电源驱动的场合。

所述的接口电路如图10所示。

所述的全保护电路如图11所示。

本发明所述的数控接触器是由触头系统、灭弧系统，电、永磁执行机构、控制电路、接口电路及基座组成。与交流接触器相比改进了磁执行机构，新增了控制电路和接口电路。

所述的电、永磁机构是一种电磁、永磁及释放弹簧组成的单稳态执行机构，其工作过程为：电磁起动—永磁吸合—电磁及弹簧释放。

因接触器规格众多、结构各异，其改进方式亦呈多样性，但其主要产生功能的磁性材料结构特征是：在软磁材料硅钢片叠成的铁心中嵌人永磁材料钕铁硼，具体常用结构有如下三种；

A、EE型，静、动铁心均为E型，线圈3在中间，钕铁硼1在E型静铁心2两端，如图12所示。

B、EI型，静铁心为E型，动铁心为I型，线圈2在E型静铁心中间，钕铁硼1在E型静铁心两端。如图13所示。

C、UI型，静铁心为U型，动铁心为I型，线圈2在U型铁心的一端，钕铁硼1在U型铁心的另一端，如图14所示。

接触器结构是：上述A型、B型、C型钕铁硼1、铁心2和线圈3在中间，连接支架4在上与两边弹簧5的上端固定，弹簧下端与底柱6固定。

本发明的优点在于：

1、体积小、免维护、微能耗、大功率重任务的数控接触器(至少是100A以上)，以及能广泛应用于传统工业的技术改造、工业过程自动化控制、智能化低压终端配电等三大国内外都及其重要领域的数控接触器及一体化工业控制机。

2、数控接触器是由触头系统、灭弧系统，电、永磁执行机构、控制电路、接口电路及基座组成的智能型接触器。与交流接触器相比改进了磁执行机构，新增了控制电路和接口电路。从而使得LOGO直连驱动接触器(100A以上)的使用寿命达到了一百万次以上，进而简化了整机电路，提高了整机的使用寿命。

3、从图15中可清楚地看到，本发明连线测试预定产品型号“SKJ-100”(在图下)与法国施耐德公司生产的“LC1-D115”(在图中)、韩国LG产电公司生产的“GMC-100”(在图上)同类、同规格的世界最先进产品相比，无论是启动性能，还是吸合性能，都雄辩地证明了本发明优越性能大大超过了该先进产品，而处于世界领先地位。

4、从图16中可以看到，该图是接口电路实现数控接触器与逻辑控制电路直接相连接后的效果图，其中CH1代表同步信号，表示LOGO的输出继电器已经闭合；CH2代表流过触点的真实波形，显示触点闭合时仅有弱电流通过，从而不会产生电弧，在闭合延时7ms后才有瞬间强电流通过。

附图说明

图1是本发明一体化工业控制机整机示意图。

图2是电路连接示意图。

图3是结构示意图。

图4是控制电路A方式基本电路示意图。

图5是控制电路B方式基本电路示意图。

图6是控制电路C方式基本电路示意图。

图7是A方式具体电路图。

图8是B方式使用交流电源的具体电路图。

图9是B方式使用直流电源的具体电路图。

图10是接口电路实施例图。

图11是全保护电路实施例图。

图12是接触器电、永磁材料EE型结构示意图。

图13是接触器电、永磁材料EI型结构示意图。

图14是接触器电、永磁材料UI型结构示意图。

图15是本发明电路连接试验测试数字式示波器波形图。

图16是本发明数控接触器试验样品与国际交流接触器产品吸合性能对比图。

其中：1、钕铁硼；2、铁心；3、线圈；4、连接支架；5、弹簧；6、底座。GMC-100、韩国LG产电公司生产的接触器型号；LC1-D115、法国施耐德公司生产的接触器型号；SKJ-100本发明试验样品预定型号。

具体实施方式

本发明整机是以单片机LOGO或PLC为核心，通过控制接口电路与指令开关电路、有线遥控电路、无线遥控电路、远程遥控电路，以及稳压电源实施输入式单向连接；与传感器、通信接口电路、同步关合电路、保护电路、PC编程、扩展模块双向连接；与参数显示电路、与1至N个数控接触器、以及通过扩展模块电路与N个数控接触器连接组成。如图1、2、3所示。

本发明是以单片机、LOGO、PLC及功能扩展模块等逻辑控制单元为核心分别与输入接口电路、传感器、通信接口、同步控制、全保护电路、电源电路及输出驱动电路连接组成。电路结构的特点是：输入端，多种控制方法兼容即：指令开关、有线遥控、无线遥控、远程遥控经输入接口电路识别后转为控制信号；控制端，通信、传感器的应用技术较为成熟，不再赘述。

同步控制实现方案的原理说明：同步控制技术是电器智能化的前沿课题，因使用目的不同，实施办法有较大的差异，我们的控制方案是避免在产生最大危害处合闸，这样接入范围由一个较小的点扩大到一个较大的域；从延长触头使用寿命的角度出发更具实用价值的是调控在最佳点分闸。全保护电路实现方案如图11所示，电源电路实现方案如图2左下方所示。逻辑控制器件的输出端直接与数控接触器的输入端相连接，这种连接方式是实现上述诸多功能的技术保障。

本发明所述的数控接触器是由触头系统、灭弧系统，电、永磁执行机构、控制电路、接口电路及基座组成。与交流接触器相比改进了磁执行机构，新增了控制电路和接口电路。所诉的控制电路有如下三种基本控制电路：

A方式：线圈L两端分别与开关K1、K2刀位连接，开关K1、K2常闭点与地线连接，常开点与电源VC连接。如图4所示。

具体电路连接是：电源VC输出与开关K2常开点、二极管D2正极、电容C2正极连接，二极管D2负极与开关K1常开点、电容C3正极连接，电容C4与电阻R1串联后与线圈L并联，再分别与开关K1、K2的刀位连接，开关K1、K2的常闭点与电容C3负极、电容C2的负极连接。如图7所示。

A方式控制电路采用两只单刀双掷按钮开关(无锁)，常闭点接地，常开点接正电源，分别按动开关K1、K2即可完成合分闸的操作，见图7。电路在接通电源后，AC220V电压经电容C1、桥堆D1向电容C2、C3充电，当充电过程结束后，电容C1无电流通过。合闸时按动开关K1，电容C2经二极管D2和电容C3并联，共同向线圈L放电，因电容C1的限流作用使电容C2、C3的电压迅速降低从而形成脉动电流，释放开关K1后，线圈L无电流通过，靠永磁吸合，电容C2、C3则继续充电。分闸时按动开关K2，由于二极管D2的隔离作用，电容C2单独向线圈L放电，其强度低于吸合电流，开关K2释放后电容C2继续充电。当掉电时，电容C2所储的电能足以在24小时内完成一次分闸操作。

本电路优点在于结构简单、操作安全可靠、功耗低，适用于低压终端供电及工作频率较低的场合。

B方式：基本电路是线圈L两端分别与开关K和电容C的正极连接，开关K的常开点与直流电源VC连接，开关K的常闭点、电容C的负极与地连接。如图5所示。

B方式控制电路由单刀双掷开关、电磁线圈及电容组成，工作过程是：当开关接通A点时B点断开，电源电压在向线圈L提供直流电流的同时向电容C充电。完成充电(吸合)过程后电路中无电流通过即达到隔离的作用，在开关接通B点时，电容C向线圈L放电完成分闸操作。电容C的引入是本电路的亮点，作用为：1、LC串联电路中电流、电压均不能突变，延长了开关触头的使用寿命；2、在电压不变时流经线圈L的电流大小受控于电容C容量的大小；3、在完成合闸操动的同时又储备了分闸所需的电能；4、在电容C充、放电进行的过程中实现了电压极性的转换。

B方式使用交流电源的具体电路连接是：瞬态二极管D1一端与交流电源、桥堆D23脚、二极管D4正极连接，另一端与保险管F1、桥堆D21脚、二极管D3正极连接，桥堆D2 2脚与开关JK1-2常开点连接，开关JK1-2常闭点与开关JK1-3常闭点连接，开关JK1-2刀位与线圈L一端、二极管D5负极连接，二极管D5正极与开关JK1-1常开点连接，开关JK1-1刀位与二极管D6负极、电容C3正极连接，电容C3的负极与地连接，开关JK1-1常闭点经电阻R3到地，二极管D6正极与线圈L另一端、并通过电阻R4与电容C4正极连接，电容C4负极与开关JK1-3的刀位连接，二极管D3、D4的负极与电容C1的正极连接，经电阻R1到继电器J1，继电器JI的另一端与电容C2的正极连接，开关JK1-3常开点、电容C1负极、电容C2负极、电阻R2、桥堆D24脚与地连接。如图8所示。

图8是具有实际应用价值的电路(AC220V)，它完全符合交流接触器的使用习惯，上电合闸、掉电分闸。保持了交流接触器抗干扰强的优点，同时也具备了数控接触器全部所长。电路的亮点和难点在于采用继电器作为核心控制器件，继电器优势是抗干扰强、机械寿命长、不足是工作耐压为DC30V远不能满足DC200V以上的设计要求，我们是在深入了解继电器的各项技术指标，分析、掌握了在DC220V条件下产生极间击穿的真正原因，采用了如图所示的多项措施(技术诀窍)创造性的将标称DV30V的继电器应用DV220V的电路中去，并通过百万次运行的验证。电路分析如下：当输入AV220V(AC187-242V)时，经二极管D3、D4、电容C1整流滤波后驱动继电器吸合，动作过程约7ms，调节R1可控制输入电压的下限。电容C2、电阻R2分别控制继电器的启动、吸合电流，继电器启动后的操动过程不再复述。开关JK1-2、JK1-3组成的双断点转换开关旨在提高极间的耐压，电容C3、开关JK1-1、二极管D5、D6是为消除回路中的残余电压所设，保险管F1、瞬态二极管D1是过流、过压保护电路。

B方式使用直流电源的具体电路连接是：直流电源的正极与桥堆D1 1脚、二极管D2正极连接，直流电源负极与桥堆D1 3脚、二极管D3正极连接，二极管D2、D3负极经电阻R1到继电器J1，继电器J1的另一端接电容C1正极、电阻R2，桥堆D1 2脚接开关JK1常开点，开关JK1刀位与二极管D4负极线圈L一端连接，线圈L的另一端与电容C2、二极管D5正极连接，二极管D4正极经电阻R3与二极管D5负极、电容C3正极连接，桥堆D1 4脚与电容C1、C2、C3负极、电阻R2、开关JK1常闭点连接。如图9所示。

图9的电路工作电压为DC24V，故控制电路可大大简化。启动时电容C2经二极管D5和电容C3并联，吸纳流经线圈L的电流，释放时电容C2、C3的电流分别经线圈L、电阻R3放电，达到了流经线圈L的启动电流强，释放电流弱的目的。

C方式：基本电路是线圈L的一端与开关K1、K2的一端连接，另一端接地，开关K1、K2另一端分别与正、负电源VC、VE连接，如图6所示。

C方式控制电路采用正负电源、双开关结构，通过数控电路精确控制开合以实现控制功能。

所述的接口电路如图10所示。

所述的全保护电路如图11所示。

本发明所述的数控接触器是由触头系统、灭弧系统，电、永磁执行机构、控制电路、接口电路及基座组成。与交流接触器相比改进了磁执行机构，新增了控制电路和接口电路。

所述的电、永磁机构是一种电磁、永磁及释放弹簧组成的单稳态执行机构，其工作过程为：电磁起动—永磁吸合—电磁及弹簧释放。

因接触器规格众多、结构各异，其改进方式亦呈多样性，但其主要产生功能的磁性材料结构特征是：在软磁材料硅钢片叠成的铁心中嵌人永磁材料钕铁硼，具体常用结构有如下三种；

A、EE型，静、动铁心均为E型，线圈3在中间，钕铁硼1在E型静铁心2两端，如图12所示。

B、EI型，静铁心为E型，动铁心为I型，线圈3在E型静铁心中间，钕铁硼1在E型静铁心2两端。如图13所示。

C、UI型，静铁心为U型，动铁心为I型，线圈3在U型铁心的一端，钕铁硼1在U型铁心的另一端，如图14所示。

接触器结构是：上述A型、B型、C型钕铁硼1、铁心2和线圈3在中间，连接支架4在上与两边弹簧5的上端固定，弹簧下端与底柱6固定。

Claims (7)

1、一种数控接触器及一体化工业控制机，其特征在于：整机是以单片机、LOGO或PLC为核心，通过控制接口电路与指令开关电路、有线遥控电路、无线遥控电路、远程遥控电路，以及稳压电源实施输入式单向连接；与传感器、通信接口电路、同步关合电路、保护电路、PC编程、扩展模块双向连接；与参数显示电路、与1至N个数控接触器、以及通过扩展模块与N个数控接触器连接组成。

2、根据权利要求1所述的数控接触器及一体化工业控制机，其特征在于：所述数控接触器是由触头系统、灭弧系统，电、永磁执行机构、控制电路、接口电路及基座组成。

3、根据权利要求2所述的数控接触器及一体化工业控制机，其特征在于：所述的控制电路组成是：

电源VC输出与开关K2常开点、二极管D2正极、电容C2正极连接，二极管D2负极与开关K1常开点、电容C3正极连接，电容C4与电阻R1串联后与线圈L并联，再分别与开关K1、开关K2的刀位连接，开关K1、开关K2的常闭点与电容C3负极、电容C2的负极连接。

4、根据权利要求2所述的数控接触器及一体化工业控制机，其特征在于：所述的控制电路组成是：

瞬态二极管D1一端与交流电源、桥堆D23脚、二极管D4正极连接，另一端与保险管F1、桥堆D21脚、二极管D3正极连接，桥堆D22脚与开关JK1-2常开点连接，开关JK1-2常闭点与开关JK1-3常闭点连接，开关JK1-2刀位与线圈L一端、二极管D5负极连接，二极管D5正极与开关JK1-1常开点连接，开关JK1-1刀位与二极管D6负极、电容C3正极连接，电容C3的负极与地连接，开关JK1-1常闭点经电阻R3到地，二极管D6正极与线圈L另一端、并通过电阻R4与电容C4正极连接，电容C4负极与开关JK1-3的刀位连接，二极管D3、二极管D4的负极与电容C1的正极连接，经电阻R1到继电器J1，继电器JI的另一端与电容C2的正极连接，开关JK1-3常开点、电容C1负极、电容C2负极、电阻R2、桥堆D24脚与地连接。

5、根据权利要求2所述的数控接触器及一体化工业控制机，其特征在于：所述的控制电路组成是：

直流电源的正极与桥堆D11脚、二极管D2正极连接，直流电源负极与桥堆D13脚、二极管D3正极连接，二极管D2、二极管D3负极经电阻R1到继电器J1，继电器J1的另一端接电容C1正极、电阻R2，桥堆D12脚接开关JK1常开点，开关JK1刀位与二极管D4负极、线圈L一端连接，线圈L的另一端与电容C2、二极管D5正极连接，二极管D4正极经电阻R3与二极管D5负极、电容C3正极连接，桥堆D14脚与电容C1、电容C2、电容C3负极、电阻R2、开关JK1常闭点连接。

6、根据权利要求2所述的数控接触器及一体化工业控制机，其特征在于：所述控制电路组成是：

线圈L的一端与开关K1、开关K2的一端连接，另一端接地，开关K1、开关K2另一端分别与正电源VC、负电源VE连接。

7、根据权利要求1所述的数控接触器及一体化工业控制机，其特征在于：所述的数控接触器是一种电磁、永磁及释放弹簧组成的单稳态执行机构，结构特征是在软磁材料硅钢片叠成的铁心中嵌人永磁材料钕铁硼，具体常用结构有如下三种：

A、EE型，静、动铁心均为E型，线圈(3)在中间，钕铁硼(1)在E型静铁心(2)两端；

B、EI型，静铁心为E型，动铁心为I型，线圈(3)在E型静铁心中间，钕铁硼(1)在E型静铁心(2)两端；

C、UI型，静铁心为U型，动铁心为I型，线圈(3)在U型铁心的一端，钕铁硼1在U型铁心的另一端；

上述A型、B型、C型钕铁硼(1)、铁心(2)和线圈(3)在中间，连接支架(4)在上与两边弹簧(5)的上端固定，弹簧下端与底柱(6)固定。

Images